（微电子学与固体电子学专业论文）08um+soi高频互补双极工艺的器件设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得重麽邮电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名粤跏易签字吼妒年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重底邮电太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重鏖 邮电太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 揪姗弛再砂砂导燧名：奄锄一 撕期：卅年日蝴期：碲6 月乡日 嗍28删6 42舢8 i_舢y 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 互补双极技术凭借其高速、大电流驱动等优势一直受到模拟集成电路设计者 的青睐。而随着微电子技术的应用越来越广泛，许多领域如射频放大器、a d 转 换器等对抗辐射能力以及信号失真度的要求也越来越严格，这就驱使人们在工艺 上自然而然地将高频互补双极技术与s o i 全介质隔离工艺相结合。在国外，s o i 高频互补双极工艺已相对成熟并且用于制造产品。但在国内的发展比较落后且对 其进行专项研究的机构并不多。本论文以中国电子科技集团第2 4 研究所模拟集成 电路国家重点实验室现有的比较稳定的互补双极工艺c b p 2 0 1 2 为基础开展了亚 微米s o i 互补双极工艺的器件设计工作，具体内容如下： f 首先，在深入分析互补双极技术及s o i 工艺的理论基础上进行了器件的建模 和工艺流程设计。器件结构设计采取s o i 全介质隔离，横向尽可能缩小尺寸以减 小寄生电容，纵向力求制作浅结和窄基区宽度；工艺上，根据器件模型的要求优 化工艺流程，精确设计关键工艺参数，如发射区离子注入条件、基区离子注入条 件、退火条件等。并利用t s u p 础n 4 和m e d i c i 软件分别对工艺流程及器件电学参数 进行了仿真，根据仿真结果不断调整工艺参数、优化器件设计。 其次，针对亚微米的s o i 互补双极工艺开发制定了特征尺寸为o 8 肛m 的版图 设计规则，分别设计了多种发射极长度的n p n 晶体管和p n p 晶体管的版图，以及 用于参数测试的p c m 和p e m 版图。 最后，根据仿真结果开展了流片实验。实验中先后采取了两种外延层厚度，根 据不同的外延层厚度适当调整工艺参数，并分别对工艺完成后的晶体管进行了直 流特性参数和交流特性参数的测试。测试结果表明直流参数基本达到设计要求， 但特征频率厶仍需进一步提高。 关键字：亚微米，s o i ，互补双极，特征频率 a b s t r a c t c o r n p l e m e n t a r yb i p o l a r t e c h n o l o g ) rh 鹊a l w a y sb e e np o p u l a rf o r 锄a l o gi c d e s i g n e r sd u et 0i t sh i 曲s p e c da i l dg o o dp e r f o 咖a n c eo nc u r r e n td r i v e w i mm e b o o m i n go fm e 印p l i c a t i o no fm i c r o e l e c 缸。o i l i c s ，m a l l y 丘e l d ss e tm o r e 觚dm o r er i l l e so n t h er a d i a t i o nt o l e r a i l c e 锄dt h es i 印a ld i s t o r t i o n ，s u c h 器l er a d i oa m p l i f i e ra i l d d i i e r t e r s ，w t l i c hd r i v e sd e s i 驴e r st 0c o m b i l l el l i g l l 厅e q u e n c yc o m p l e i i l e i l t a 巧b i p 0 1 a r t e c h n 0 1 0 9 yw i t hm es o ic o m p l e t ed i e l e c t r i ci s o l a t i o np r o c e s s s o il l i g l lf i 嘲u e n c y c o m p l e m e n t 卸哆b i p 0 1 a rt e c h n 0 1 0 9 yi sw e l ld e v e l o p e da n du s e dt of a b r i c a t ep r o d u c t s a ：b r o a dw l m ei ti sc 伽叩a r a b l yl e s sd e v e l o p e d 锄dn o tm a n y a g e n c i e ss p e c i a l l yf o c u so n “i nc h i n a ht h i sm e s i s ，也ed e v i c e sf o rs u b - i i l i c r o ns o ic o m p l e m e n t a 巧b i p o l a r p r o c e s sa r ed e s i 印e db a s eo nm es m o o t h l yp e r f o m e dc o m p l e m e n t a r yb i p o l a rp r o c e s s c b 婵2 012b yn a t i o n a ll a b o r a t o 巧o f a n a l o gh l t e 黟a t e dc i r c u i t s ，c e t c 2 4 1 t l ed e t a i l s a r e 嬲f 0 1 1 0 w s f i r s t l y m ed e v i c em o d e l sa i l dp r o c e s sa r ed e s i 盟e da r e rt h ec bt e c l l l l 0 1 0 9 ya n ds o i m e o 巧b e i n gt l l 0 1 o u 曲1 ya n a l y z e d s o ic o m p l e t ed i e l e c t r i ci s o l a t i o ni su s e df o rd e v i c e s t m c t u r e w em i i l i m i z em e1 a t e r a ls i z et 0r c “c et h ep 嬲l s i t i cc a p a u c i t a n c em e a 矾，h i l e v 叭i c a l l ys h a l l o we m i t t e r 趾dn a r r o wb a s ew i d mi sc i 潞e d f 0 rt h et e d h n o l o g yd e s i g n ， w eo p t i m i z et h en o wa n dp r e c i s e l yd e s i 盟t h ek e yp r o c e 8 sp a r 锄e t e r s ，s u c ha st h e e i i l i t t e ri o n 曲p l 锄t a t i o nc o n d i t i o n ，b 弱ei o ni m p l a l l t a t i o nc o n d i t i o na n d 绷e a lc o n d i t i o n t h ep r o c e s sa n dd e v i c ee l e c t r i c a lp a r 锄e t e r sa r es i r 肌l a t e dm r o u 曲t h et u p r e m 4a i l d m e d i c is o 胁a r er e s p e c t i v e l y w er e d e s i 印t h ed e v i c ea n dp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s e c o n d l y ，l a ) 叼u td e s i g nm l e sw i mo 8 “mc da r es e tf o rt h es u b m i c r o ns o i c b p r o c e s sd e v e l o p m e n t w ed e s i 盟s e v e r a ll a y o u t sw i md i 腩r e n te m i t t e rl e n g mf 0 rn p n 锄dn 旧t r 狮s i s t o r s a l s ot h ep c ma n dp e ml a y o u tw h i c hb e i n gu s e df o rp a r 撇e t e l 噶 m e a s l l l 7 e m e n ta r ep r e s e n t e d f i n a l l y 脚e o u te x p 耐m e n t sw e r ec o n d u c t e d b a s e d o nt h es i 舢l a t i o nr e s u l t s - d 埘n gm ee x p 嘶m 朗t sw ec n l p l o y e dt w i dl 【i n d so f 印i t a x i a lt l l i c l 【i l e s s ，a c c o r d i n g t 0 w h i c ht h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ep r o p e r l y 删u s t e d t h ed c a n da cp a r 锄c t e r sw e r e r e s p e c t i v e l ym e 嬲1 1 r e d a i l da l l a l y z e da r e rt h ep m c e s sf i n i s h e d t h em e a s u r e m e n t f i g w e do u tt h a tm ed cp 躺e t e r sa r eb 嬲i c a l l yo k w h i l et h e 厶i sn o t9 0 0 de n o u 曲 y e t 1 ，e v w o r d s ：s u b m i c r o n ，s o i ，c o m p l e m e n t a r yb i p o l a r ， c h a r a c t e r i s t i c 仔e q u e n c y h 型塑墼塑塑 旦茎 。- _ _ _ - - - 一 h1 、 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录一i i i 第一章绪论l 1 1s o i 互补双极工艺概述1 1 1 1 互补双极工艺的优势2 1 1 2 互补双极工艺的产业应用3 1 1 3s o i 技术简介3 1 1 4s o i 互补双极工艺研究现状及存在的问题5 1 2 本课题的研究意义7 1 3 本论文的主要工作8 第二章s o i 双极器件设计的理论分析9 2 1 双极晶体管的关键参数分析9 2 1 1 提高特征频率的措施9 2 1 2 共发射极电流放大系数的影响因素1 2 2 1 3 厄利电压的设计考虑1 4 2 1 4 击穿电压的设计考虑1 5 2 2s o i 全介质隔离引入的问题1 5 2 3 本章小结1 7 第三章器件及工艺流程的设计与仿真1 8 3 1 器件设计1 8 3 1 - 1 器件结构18 3 1 2 电学参数2 0 3 2 工艺流程设计2 1 3 3 仿真结果2 2 3 3 1 工艺流程仿真2 3 3 3 2 器件电学参数仿真2 9 3 4 本章小结3 7 第四章版图设计3 8 4 1 光刻层次定义3 8 4 2 器件版图设计3 9 i 重壅坚皇奎堂堡主笙塞 目录 一一- = ： 4 3 测试版图设计4 1 4 4 本章小结4 2 第五章测试结果与分析4 3 5 1 测试平台4 3 5 21 9 7 m 外延层厚度的硅片测试结果4 4 5 3o 8 8 肛m 外延层厚度的硅片测试结果4 8 5 4 实验结果分析5 1 第六章总结及展望5 2 6 。1 总结5 2 6 2 展望一5 2 致谢5 3 参考文献5 4 附录5 7 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 攻读硕士学位期间参与的科研项目5 7 重量苎堕茎壁整堕塑一 釜二童堑笙 - - _ - _ _ - _ _ - _ - 一- o 。 二目p h 第一章绪论 在高性能模拟集成电路的发展过程中，运算放大器起着越来越重要 的作用。高速运算放大器已广泛应用于a d 与d a 转换器、有源滤波器、 积分器、精密比较器、波形发生器和视频放大器等各种电路中。这些电路 不仅要求提高运算放大器的频带宽度、转换速率和电压增益，在某些军用 甚至是民用功能模块中对于运算放大器的抗辐射能力和谐波失真还有更 严格的要求。要得到这样的高性能运算放大器，除了在电路上采用电流反 馈方式或电压反馈方式、对电路进行优化设计以外，制造工艺以及器件性 能也必须达到相当的水平。互补双极工艺采用高性能n p n 晶体管和p n p 晶 体管，拥有带宽大、低功耗、宽输出范围、大电流输出以及低失真等符合 高速放大器需要的最好的性能组合。而s o i 技术带来的寄生电容、漏电流 的降低以及抗辐射等能力与互补双极工艺的优势相结合，则能很好地满足 制造上述高性能运算放大器的要求。实际上，s o i 互补双极工艺也是当今 制造高性能模拟集成电路的主流工艺，在国际各大厂商的推动下发展迅 速。在国内，对于s o i 互补双极工艺的研究起步较晚，目前工艺水平与国 外先进工艺还存在一定的差距。本论文即是针对超高速运算放大器展开了 亚微米s o i 互补双极工艺的器件设计工作。 本章首先介绍了互补双极工艺的发展、优势以及s o i 技术，然后简要 报道了s o i 互补双极工艺的国内外发展现状及存在的问题，最后引出了本 论文的意义及具体工作内容。 1 1s o l 互补双极工艺概述 互补双极( c o m p l e m e n t a r yb i p o l a r ，下简称c b ) 工艺起源于上世纪六 十年代末的贝尔实验室，迄今已有将近四十年的历史。早期，c b 工艺在电 信系统高性能要求的驱使下快速发展。到了七十年代中期，h a r r i s 公司开发 出的高性能介质隔离c b 工艺开始应用于放大器、a d c 以及其他模拟集成电 路的生产，带来了c b 工艺第一次商业性成功并且h a 玎i s 公司在将近1 0 年 时间里在这一领域独占熬头。垄断的主要原因在于当时这种工艺制作难度 大，成本非常高。1 9 8 6 年前后，从国家半导体公司( n s c ) 开始，许多商家 开发出成本较低的结隔离c b 工艺制造产品。值得注意的是a t & t 公司采用 这种工艺提供代工服务，使那些没有生产线的公司也深受其益，从而促使 2 0 世纪八十年代诸如视频、t f t 播放器、磁盘驱动器和复印机等新兴的市 里塑型堕型里塑堕兰堡l 笙二皇笙笙 _ 一一l o 十 场上出现了大量的受益于c b 工艺的产品。这些新产品拥有高速、低功耗、 强输出驱动，并且低成本的封装( 包括当时新的s m p 技术) 。c b 工艺成为 主流技术。此后，工艺的进步包括1 9 9 2 年a d i 公司和h a r r i s 公司再次引入 介质隔离，而这次是采用的是s o i 全介质隔离【1 】【2 】【3 1 。全介质隔离带来更低 的集电极电容充分地改进了宽带特性，并且允许在更低的工作电流下达到指 定的速度，从而降低功耗。进一步的工艺改进包括国家半导体公司将c m o s 引入c b 以及2 0 0 3 年t i 公司引入s i g ec b 工艺【4 1 。 1 1 1 互补双极工艺的优势 基于c b 工艺的产品已经确定了其产业地位。c b 工艺已经成为宽带应 用及任何既要求高速又要求直流精度的应用领域的实际标准，是高性能模拟 集成电路的必然选择。 高性能p n p 晶体管的优势 很多模拟双极工艺仅提供高性能的n p n 晶体管，而一个互补的高性能 p n p 晶体管对模拟电路( 例如放大器) 的很多方面都大有裨益【5 】：1 ) 具有 高厄利电压的p n p 晶体管可被用作增益级的有源负载，从而使整体增益增 加并且扩展了放大器的工作范围；2 ) 高特征频率的p n p 管可被用作交流信 号通路，这样可使直流工作点更加稳定，减小电路复杂度；3 ) 高击穿电压 的p n p 晶体管可被用作输出级驱动来显著减小驱动大负载的放大器的静态 工作电流。 互补的性能接近的n p n 管和p n p 管的优势 双极工艺通常更适合于线性元件，就像c m o s 更适合于更高集成度芯 片一样。与双极工艺相比，c m o s 的噪声更大，而且功耗效率低。随着c m o s 朝更小体积、更低电压和更小信号方向发展，噪声和失真的问题显得更为突 出。互补双极晶体管设计采用高性能p n p 和n p n 晶体管，可提供当今高速 放大器所需要的最好的性能组合：带宽大、低功耗、宽输出范围、大电流输 出以及低失真。 互补工艺的最佳结果是p n p 晶体管和n p n 晶体管的性能很接近，其主 要优点在于：1 ) 能同时获得具有极小寄生电容的高频纵向n p n 管和高频纵 向p n p 管：2 ) 使集成运算放大器在很小的静态电流下，具有较好的频率特 性和带宽特性；3 ) 为电路设计者提供方便，使得设计流程更加简单，因为 不需要花时间设计电路来补偿由于缺少性能较好的p n p 管而带来的不足峥1 ； 4 ) 版图上对称的p n p 管和n p n 管能够减小功率耗散，提高电路密度，降 低成本。 2 重壅堂皇查堂堡主迨茎 一 第一章绪论 一- ： ：= = ：= 1 1 2 互补双极工艺的产业应用 互补双极技术是放大器制造商的必然选择，而一些领先供应商已经推出 采用该技术的商用产品。t i 推出的互补双极c m o slo ( c b c lo ) 系列；国家半 导体公司( n s c ) 的v i p l o ( 垂直集成p n p ) 也是一种互补双极工艺【7 】；美信集 成产品公司( m a x i mi n t e g r a t e dp r o d u c t s ) 的c b 3 0 工艺也是应用该技术；模拟 器件公司( a d i ) 已推出其第三代x f c b ( 超快互补双极) 产品。 采用互补双极技术的代表产品包括x d s l 、电缆调制解调器、机顶盒、 接触成像扫描仪、d v d 播放机以及c d r o m 等。 对于x d s l ，其带宽相对较宽( 可达1 0 m h z ) 且失真度必须非常低。这就 需要非常多的反馈回路增益来保持线性度，即意味着放大器的带宽应该比信 号带宽大若干数量级。此外，电路的内在线性度越低，反馈越少。 宽带电缆驱动( 应用于x d s l 、电缆调制解调器、视频分配等) 是对c b 工艺的另一个推动。为了达到最大的摆幅和最好的线性度，输出级晶体管必 须有同样好的直流和交流大信号特性。 高清晰度视频需要放大器具有非常低的差分增益和相位噪声一一两种 精度指标，据此来处理复杂的宽带信号。全对称设计使用c b 工艺可能得到 最大的带宽和最好的相位幅度。 此外，诸如d v d c d 等光学存储器中的激光l e d 代表了c b 型驱动器 的另一个应用领域。 1 1 3s o i 技术简介 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 技术是上世纪8 0 年代发展起来的一项新集 成技术，它通过在有源层与衬底之间插入埋氧层来隔离二者之间的电气连 接，提供理想的介质隔离，大幅度降低寄生电容和漏电流，有效缓和了日 益突出的工作频率和功率损耗之间的矛盾。除此之外，s o i 电路还具有无 闩锁、耐高温、抗辐照、小尺寸效应不明显、软错误率低等优点，因此被 誉为“2 1 世纪的硅集成技术”【8 1 。近年来s o i 制备技术日趋成熟，主要方法 有注氧隔离( s i m o x ，s e p a r a t e db yi m p l a n t e do x y g e n ) ，硅片直接键合 ( s d b ，s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ) 、智能剥离( s m a r tc u t ) 、外延层转移 ( e l t r a n ，e p i t a x i a ll a y e rt r a n s f e r ) 、外延横向覆盖生长( e l o ，e p i t a x i a l l a v e ro v e r g r o w t h ) 、蓝宝石上外延硅技术( s o s ，s i l i c o n o n s a p p h i r e ) 等，这些技术使得经济实用的s o i 材料成为可能，s o i 器件及集成电路也逐 渐走向实用化。下面简要介绍一下前四种主要的s o i 制备工艺。 氧注入隔离技术( s i m 0 x ) 如图1 1 ，工艺流程主要包括氧离子注入和高温退火两个过程，利用 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 这种技术制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制在 5 0 4 0 0 n m 的范围。但是这种技术的成本太高。由于氧离子注入深度有限， 因此采用s i m o x 技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人们采用在s i m o x 基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅，即所谓的e s i m o x ( e p i t a x i a l s i m o x ) 技术p j 。美国的i b i s 公司年产8 英寸的s i m o x 晶片6 万片，并制造 了商业的新一代专用大束流离子注入设备；上海的新傲科技有限公司作为 国内唯一拥有包括大束流注氧专用离子注入机在内的s i m o xs o i 材料生 产线的公司，能生产4 6 英寸s i m o x 和e s i m o xs o i 材料【l o l 。 瞄 _ 图1 1s i m o x 工艺流程示意图 图1 2s d b 工艺流程示意图 硅片直接键合技术( s d b ) 如图1 2 ，工艺流程主要包括键合和减薄两个步骤，利用这种技术可 以制得厚膜厚埋氧层s o i 材料，而且成本低，但是项层硅膜的厚度较难控 制，限制了其应用。国内中国电子科技集团第2 4 研究所和东南大学等单位 也开展了s d b 法制备s o i 材料的研究。 搿 图1 3s m a r tc u t 工艺流程示意图 智能剥离技术( s m a r tc u t ) 如图1 3 ，工艺流程包括离子注入h + 、 4 图1 4e l t r a n 工艺流程示意图 室温键合、热处理剥离和化学机 重壅塑皇奎堂堡主笙奎 第一章绪论 一一 ：= ：= 械精密抛光等。这种方法制得的硅片的项部硅膜的均匀性相当好，埋氧层 完整。另外，硅片剥离后，还能重新回收使用，降低了生产成本，由于s m a r t c u t 技术兼具b e s o i 和s i m o x 的优点，所以这是一种极有前途的s o i 制备技 术l l 。因此适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料。 外延层转移技术( e l t r a n ) 如图1 4 ，工艺流程主要包括硅片的阳极极化、外延、热氧化、键合、 减薄、氢退火等几个步骤。利用这种方法可以制得薄膜和厚膜s o i 材料， 而且埋氧层通过热氧化生产。此技术使得顶层硅和埋氧层厚度的设计具有 一定的灵活性，从几十微米的厚度到几十纳米的甚薄层均可以通过改变生 长条件而不需要任何特殊的设备或过程就能得到【1 2 】。 总之，成本是限制s o i 材料商业化的主要因素，改进工艺一直是研究 的主要方向，同时各种制备s o i 材料的方法也朝着薄膜化和商业化方向在 研究。 1 1 4s o l 互补双极工艺研究现状及存在的问题 国际上，目前在s o i 互补双极技术这一领域有许多公司都积极进行工 艺及产品开发【1 3 】【1 4 】【1 5 】【16 1 。现代s o i c b 工艺，如h a r r i s 公司的u h f 1 【3 1 、 a d i 公司的x f a b 以及国家半导体公司的v i p l o 【1 6 】等，均能达到较高的 器件和器件性能匹配，器件的主要性能参数分别如表1 1 、表1 - 2 、表1 3 所示。其工艺的共同特点在于： 1 )器件之间的隔离已由传统的p n 结隔离转变为s o i 材料加d t i 的全 介质隔离； 2 )采用多晶硅发射极结构。 图1 5 为典型的s o i 全介质隔离c b 工艺的剖面示意图。 图1 5 典型s o i 全介质隔离c b 工艺器件的示意图 国内，互补双极工艺的发展起步较晚，且对其进行专向研究的机构为 数不多。但是中国电子科技集团第2 4 研究所对于c b 工艺作了卓有成效的 研究【1 7 】【18 1 【1 9 】【2 0 1 ，其互补双极工艺c b p 3 0 1 4 ( 特征尺寸3 p m ) 、c b i p 2 0 1 2 ( 特 征尺寸2 p m ) 已广泛应用开发高速比较器、高速驱动器、高速d a a d c 、 垩塑型堕堑壁塑堕兰垒奎 笙二童笪笙一- 二1 7 早，目叱 无线接受发射电路系列、运算放大器、电源管理等多种产品领域。对于 s o i 材料上的互补双极工艺，中电集团2 4 所也以c b i p 2 0 1 2 工艺为基础进 行了一定的研究，采取与c b i p 2 0 1 2 工艺套路完全相同的工艺条件和器件 尺寸，将c b i p 2 0 1 2 工艺中的结隔离改为s o i 深槽加l o c o s 隔离，进行 了计算机仿真和实际流片测试。 仿真结果表明： 1 ) 在工艺及器件尺寸相同的情况下，s o i 器件的电流增益略小于常规器 件，厶与l 没有明显的区别。 2 ) 减小隔离岛尺寸会稍微降低电流增益，二没有明显的变化，l 获得 提高。 实测结果表明： 1 ) 在工艺及器件尺寸相同的情况下，s o in p n 晶体管的电流增益与常规 器件相当，厶略大于常规器件。 2 )s o ip n p 晶体管的性能比之常规器件有所下降，其原因是：p 型集电 极区域，即p 穿透的结深在目前工艺条件下有些临界，在s o i 工艺中 它靠近深槽多晶硅介质隔离墙，在经历高温工艺时一部分硼会穿过较 薄的氧化墙( 1 0 0 n m ，s i 0 2 吸硼排磷) 向本征的多晶硅层扩散，导致 p 穿透区域形成一层高阻层。 研究证实：在目前器件结构、版图尺寸和工艺条件下，s o i 材料加深 槽介质隔离对器件电流增益、厶等主要性能参数不会产生明显影响。即 2 0 “m 器件采用全介质隔离来提高器件性能的意义不大。 表1 1u h f 1 工艺器件主要参数 表1 2x f c b l 工艺器件主要参数 p a r a m e t e r sn p np n p p 1 0 04 0 v a 6 0 v2 0 v b v c e o 8 v 1 2 v b v c e s 1 2 v 1 2 v b v e b o 5 5 v 4 5 v f t v c e = 3 v 9 g h z5 5 g h z c d 0 8 p m p a r a m e t e r sn p n p n p 口 7 05 5 v a 8 0 v2 5 v b v c e 0 1 2 v 1 4 v b v c e s 2 5 v 1 4 v b v c b o 2 5 v 2 5 v f t v c e = 2 v 4 5 g h z2 5 g h z c d 1 5 o 6 p m 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 表1 3v i p l o 工艺器件主要参数表1 4s o i 材料c b i p 2 0 1 2 器件主要参数 p a r a m e t e r sn p np n p j b 1 0 05 5 v a 1 2 0 v4 0 v b v c e o 1 2 v 1 2 v f t v c e = 5 v 9 o g h z8 o g h z c d l p m p a r a m e t e r sn p np n p 卢 6 03 0 v a 6 0 v1 5 v b v c e o 1 2 v 1 2 v f t v c e = 3 v 4 g h z1 5 g h z c d 2 p m 表1 4 为采用s o i 材料加深槽介质隔离的c b i p 2 0 1 2 工艺的器件主要 参数。通过几个表格的数据比较和本小节前面的分析，可总结出目前国 内s o i 互补双极工艺存在以下问题： 1 ) 特征尺寸未达到亚微米级，不利于减小结面积和寄生电容。 2 ) 特征频率与国外先进工艺相比还有一定的差距。 3 ) 电流增益有待提高。 1 2 本课题的研究意义 在过去的若干年中，随着半导体产业不断的技术进步，s o i 全介质隔 离互补双极工艺已逐步成熟并占据了重要的产业地位。但国内的s o i 全介 质隔离互补双极工艺与国外先进的技术水平还存在着较大的差距，对于制 造超高速的运算放大器或者性能要求更高的模拟集成电路来说还有一定 的困难。作者在中国电子科技集团第2 4 研究所模拟集成电路国家重点实 验室的预研项目s o i 超高速运算放大器技术研究( 项目来源：中华人民 共和国国防科学技术工业委员会) 的资助下，进行了特征尺寸为o 8 p m 的 s o i 高频互补双极工艺的研究，主要围绕影响超高速运算放大器性能的晶 体管的关键参数开展器件的设计工作。采取s o i 材料和全介质隔离结构， 特征尺寸减小到0 8 p m ，对现有的2 p m 特征尺寸的c b i p 2 0 1 2 工艺的关键 工艺流程和参数进行优化，尽可能减小上节中提到的n p n 晶体管和p n p 晶体管参数的不足之处，使得晶体管直流特性和交流特性都有所提高，满 足s o i 超高速运算放大器的设计和制造要求。同时，本课题的研究对于提 高国内互补双极工艺的技术水平具有实际的推动作用，对于高性能模拟集 成电路的发展具有重要的现实意义。 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 本论文的主要工作 首先，针对影响超高速运算放大器的性能设计进行了s o i 双极器件的 相关理论分析，包括双极晶体管的关键参数和s o i 全介质隔离结构可能带 来的问题等，详见第二章；然后结合现有工艺条件，利用计算机软件进行 了亚微米s o i 高频双极器件的设计与建模，并且设计了s o i 互补双极工艺的 流程与参数，详见第三章；第四章介绍了本套工艺的器件版图设计以及 p c m 和p e m 测试版图设计；根据仿真结果进行了多次的流片实验，对设计 进行了验证，并对数据进行了比较与分析，详见第五章。 8 重鏖堂皇奎堂堡主笙奎 第二章s o i 双极器件设计的理论分析 _ 二- 二= = ：二：竺= ! ! ! 竺：! ：= 竺：! ：! = ! 第二章s o i 双极器件设计的理论分析 2 1 双极晶体管的关键参数分析 随着各种应用设备中对运算放大器的性能要求越来越高，相应地组成 电路的基本元件的设计面临一次又一次的挑战。双极型晶体管凭借其较快 的速度、更大的电流驱动能力等优势在很多领域一直受到设计者的青睐。 这里简要讨论一下晶体管设计过程中通常我们最关心的几个参数，包 括特征频率、放大系数、击穿电压和厄利电压。其中重点讨论对晶体管特 征频率和电流增益产生影响的各种要素，因为这两项参数对于高速运算放 大器的带宽和输出驱动能力具有决定性意义。另外通过后面的分析我们不 难发现，某些参数之间存在着相互制约关系，在设计晶体管时，必须考虑 到性能的优化折衷。 2 1 1 提高特征频率的措施 运算放大器的带宽在很大程度上决定于晶体管的特征频率厅。从根本 上说，由于电子比空穴具有更高的迁移率，使得n p n 晶体管较之p n p 晶 体管容易实现更高的速度。故在运算放大器内部信号通道上均采用n p n 晶体管。但是在输出级由纵向p n p 晶体管和n p n 晶体管组成的推挽互补 输出也要求两种晶体管的特性尽可能匹配。因此提高晶体管的特征频率对 于高速运放的设计具有重要意义。 根据定义，特征频率是共射电流增益ibl 下降为1 时的频率。厶代表 晶体管具有电流放大能力的最高频率，并且人们可以在较低的频率下获得 厅的数据，使得量产的测试工作大为简化。因此，矗是最重要的晶体管高 频参数。根据共射极电流增益的表达式( 2 1 ) 2 爿q 1 以及特征频率的定义可得数学表式( 2 2 ) 垆卜渐一( 2 2 ) 即( 2 3 ) 式 去+ ( 南 2 ：1 3 ， 9 重量型堡型塑塑坠竖竺坠一 笙三童璺竺! 翌壑矍堡堡生箜堡垒坌堑 一- ：二二、阶州i lr r lu j 垃儿jv i 因( 1 历) 1 ，故上式近似为 肛2 可轰音习( 2 4 ) 可见，特征频率由四个时间常数决定，其中t 为发射极延迟时间，为基 区渡越时间，乃为集电结势垒区延迟时间( 有时也称渡越时间) ，t 为集电 极延迟时间。 当工作频率远大于厶时，由式( 2 1 ) 可得 外衙 。b q l l l 厂 ( 2 5 )- - 二一， 再利用式( 2 4 ) 有 l i 厂= 属厶= 矗( 2 6 ) 这是一个重要的近似关系，它表明在工作频率厶 厂 五的范围内，共 射极电流增益的幅值与频率的乘积是一个常数，这个常数就是厅。因此， 五也称为电流增益一带宽积。同时，式( 2 6 ) 也表明，在这一频段内，共 射电流增益与频率成反比。频率升高一倍，电流增益降低5 0 ，以分贝表 示例，即下降6 d b 。因此厶 厂 五这一工作频段又称为6 d b 倍频程段。 此外，利用这一关系式，可以在较低的频率下测量厅，同时也可以由已知 的力决定在任意频率( 厶 4 v 即可。 所以b v e b o 在制造中很容易达到，在设计中一般也不做特殊考虑。 b v c e o 是基极开路时，集电极与发射极之间的击穿电压。它是晶体管 的重要参数之一，标志着共发射极运用时，集电极一发射极间所承受的最大 反向电压。b v c e o 与b v c b o 关系是非常紧密的，关系式表示为式( 2 1 8 ) 。 曰2 撩( 2 式中，n 为常数。当集电结低掺杂区为n 型时，硅管n = 4 ，锗管n = 3 ；当 集电结低掺杂区为p 型，硅管n = 2 ，锗管n = 6 。式中表明为提高b v c e o 就 必须提高b v c b o 。 2 2s o l 全介质隔离引入的问题 s o i 全介质隔离技术的引入，使器件的性能得到了进一步的提升，但 1 5 重苎堂壁堕量望型垄堕生一 笙三童璺q ! 壑堡墨堡堡生堕堡笙坌堑 二_ 二- 二”7 hj 口m j 。，i 同时也带来了各种问题和挑战。 首先深槽隔离工艺应用在s o i 硅片上时，沟槽侧墙的氧化过程中会造 成了底部边角的缺陷从而导致集电极发射极短路【2 3 1 。研究发现，通过使沟 槽填充所需的氧化物的量最小化以及改善氧化物生长的温度，可以减少缺 陷。 另外我们发现s o i 的硅层厚度能够影响埋层向上扩散的程度从而影响 有效外延层厚度1 2 4 1 。这种问题的解决办法是适当增加s o i 的硅层厚度，使 工艺对与这种效应不敏感。值得注意的是，s o i 硅层的厚度不宜太大，因 为这样会增加外围c 如和沟槽深度。 自加热效应是s o i 全介质隔离的另一个缺点。当晶体管工作时会耗散 热量，热量主要通过下层的硅传导来转移。也有一些热量从芯片表面散发 到空气中，或通过塑封耗散，一些热量从互连金属层耗散。石英硅是热的 良导体，而二氧化硅不是。硅的热导率比二氧化硅高大约1 0 0 倍。尽管用 于电介质隔离的二氧化硅的厚度仅为主要的热耗散路径厚度的1 3 0 0 ，但 是由于它非常靠近晶体管，它的影响大大增加。其结果就是介质隔离晶体 管的热阻比结隔离晶体管的热阻高2 5 倍【25 1 。 我们提到过许多应用中都是利用c b 工艺十分优良的输出驱动能力。被 热墙包围的功率晶体管中的热量积累并不是微不足道的，能够很容易地造 成典型的热失控情形。温度上升，除了带来破坏以外，也能造成不同类型 的性能退化。甚至电流镜也由于两种电学特性匹配的器件在热学特性上存 在一定差异而造成准确度降低【2 6 1 。这造成有较高自耗散( 较高的) 的 器件在较低的圪f 下有更大的电流。沟道侧墙结构使得温度急剧变化，因此 1 肛ms o i 层的热绝缘特性是显而易见的。单位尺寸的晶体管( 1 帅2e m i t t e r ) 在0 5 m a 的偏置下v 。可达9 5 v 。在这种特定情况下，基极一发射极区域下 的温度峰值达到6 5 0 度，很容易热失控。 减薄硅片的氧化物界面和采用更厚的金属层，这一问题可被减轻。另 外，对于高速电路，自加热效应可被改善，因为电路需要驱动的电容比较 少，因而电流可保持在低值；对于功率集成电路，自加热具有相当大的制 约性。当自加热效应比较关键时我们可使用大于一般尺寸的晶体管有源区 来减轻问题的影响。一个更加根本的改变在于将无定形态s i o ：改成晶体态 s i o ：。晶体态s i o ：具有大约比无定形态高出一个数量级的热传导率。金刚 石由于其高热传导率